انواع کانال مخابراتی و مشخصه‌های آن‌ها – از صفر تا صد

یکی از اجزای بسیار مهم در سیستم‌های مخابراتی، «کانال مخابراتی» (Communication Channel) نام دارد. یک کانال مخابراتی ارتباط بین «فرستنده» (Transmitter) و «گیرنده» (Receiver) مخابراتی را برقرار می‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع مختلف کانال‌های مخابراتی بپردازیم و مشخصه‌های مهم هر کدام را بررسی کنیم.

انواع کانال مخابراتی

از سایر رسانه‌هایی که می‌توانند به عنوان کانال مخابراتی در نظر گرفته شوند می‌توان به رسانه‌های ذخیره‌سازی داده مانند نوارهای مغناطیسی و دیسک‌های مغناطیسی و دیسک‌های نوری اشاره کرد.

کانال مخابراتی سیمی

فیلم آموزش مبانی سیستم‌های مخابراتی در فرادرس

کلیک کنید

کانال مخابراتی فیبر نوری

فیبر نوری پهنای باندی را در اختیار طراح یک سیستم مخابراتی قرار می‌دهد که چند برابر بزرگ‌تر از پهنای باند یک کانال کابل کواکسیال است. در طول دهه‌های اخیر استفاده از کابل فیبر نوری از رواج بیشتری برخوردار بوده است. استفاده از فیبر نوری به عنوان یک کانال مخابراتی از مزایایی مانند تضعیف بسیار پایین سیگنال برخوردار است. ادوات فوتونیک یا نوری با قابلیت اطمینان بسیار بالا برای تولید سیگنال و نیز آشکارسازی آن گسترش یافته اند. این پیشرفت‌های تکنولوژی منجر به رشد روزافزون استفاده از کانال مخابراتی فیبر نوری هم در سیستم‌های مخابرات خانگی و هم در مخابرات بین قاره‌ای و فرا اقیانوسی شده است.

کانال مخابراتی الکترومغناطیسی وایرلس

پهنای باند کانال موجود در این باند فرکانسی نسبتا کوچک است (معمولا حدود ۱ تا ۱۰ درصد فرکانس مرکزی) و به همین دلیل اطلاعاتی که از طریق این کانال‌ها منتقل می‌شوند، معمولا دارای سرعت پایینی بوده و عموما محدود به انتقال دیجیتال هستند. یک نویز غالب در این باند فرکانسی به وسیله رعد و برق در مناطق مختلف کره زمین از جمله مناطق استوایی ایجاد می‌شود. همچنین به دلیل تعداد زیاد کاربران این باند فرکانسی، اختلال در آن به وجود می‌آید. در تصویر زیر، روش انتشار موج زمینی نشان داده شده است.

روش انتشار موج زمینی یک مود غالب برای انتشار در فرکانس‌های موجود در باند MF (از ۰٫۳ مگا هرتز تا ۳ مگا هرتز) به حساب می‌آید. این باند فرکانسی برای انتشار AM و پخش رادیویی دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در پخش AM، بازه انتشار موج زمینی حتی برای قوی‌ترین ایستگاه‌های رادیویی به حدود ۱۰۰ مایل محدود شده است. نویز اتمسفر، نویزهای ساخته بشر و نویزهای حرارتی از قطعات الکترونیکی موجود در گیرنده، اغتشاشات غالب موجود برای انتقال سیگنال MF محسوب می‌شوند. در تصویر زیر روش انتشار موج هوایی نشان داده شده است.

روش انتشار موج هوایی ناشی از این است که سیگنال ارسالی از یونوسفر منعکس می‌شود که از چندین لایه از ذرات باردار در بازه‌ای بین ۳۰ تا ۲۵۰ مایلی بالای زمین تشکیل شده است. در طول ساعات روز، حرارت اتمسفر ناشی از خورشید باعث می‌شود که لایه پایین در ارتفاع زیر ۷۵ مایل تشکیل شود. این لایه‌های پایین، مخصوصا لایه D، توانایی جذب فرکانس‌های زیر ۲ مگا هرتز را دارند. بنابراین به شدت انتشار و پخش رادیو AM را محدود می‌کنند. البته در طول ساعات شب، چگالی الکترون‌ها در لایه‌های پایین یونوسفر به شدت افت می‌کند و جذب فرکانسی که در طول روز اتفاق می‌افتد، به شدت کاهش می‌یابد. در نتیجه، ایستگاه‌های پخش رادیو AM پرقدرت، می‌توانند تا فواصل طولانی‌تری از طریق انتشار موج هوایی در طول لایه F اتمسفر موج ارسال کنند. این لایه اتمسفر از ۹۰ تا ۲۵۰ مایلی بالای سطح زمین ادامه دارد.

انتشار یونوسفری موج هوایی در فرکانس‌های بالای حدودا ۳۰ مگا هرتز متوقف می‌شود که در واقع انتهای باند فرکانسی HF به حساب می‌آید. با این حال امکان دارد انتشار پراکنده یونوسفری در فرکانس‌های بازه ۳۰ تا ۶۰ مگا هرتز وجود داشته باشد که ناشی از پراکندگی سیگنال از یونوسفر پایین است. همچنین امکان دارد از فواصل چند صد مایلی با استفاده از پراکندگی تروپوسفر در فرکانس‌های ۴۰ تا ۳۰۰ مگا هرتز اطلاعات را ارسال کرد. «Troposcatter» ناشی از پراکندگی سیگنال به دلیل ذرات موجود در اتمسفر در ارتفاع ۱۰ مایل و یا کمتر است. در حالت عمومی، پراکندگی یونوسفری و پراکندگی تروپوسفری اتلاف انتشار سیگنال بزرگی دارد و به توان ارسال بالا و نیز‌ آنتن نسبتا بزرگی نیاز دارد.

در حالت کلی، ناحیه پوشش تحت انتشار LOS توسط انحنای زمین محدود شده است. اگر آنتن فرستنده در ارتفاع h فوتی بالای سطح زمین نصب شود، با فرض عدم وجود مانع فیزیکی مانند کوه مسافت افق رادیو تقریبا برابر با $$d = \sqrt { 2 h }$$ مایل خواهد بود. به عنوان مثال، یک آنتن تلویزیونی که روی یک برج با ارتفاع ۱۰۰۰ فوتی نصب شده باشد، پوشش تقریبا برابر با ۵۰ مایل فراهم می‌کند. به عنوان یک مثال دیگر، سیستم‌های وابسته به رادیو مایکروویو که به صورت گسترده برای ارسال ویدیو و تلفن مورد استفاده قرار می‌گیرند، در فرکانس‌های بالاتر از ۱ گیگا هرتز، باید دارای آنتن نصب شده در برج‌های بلند و مکان‌های مرتفع باشد.

نویز غالبی که عملکرد سیستم‌های مخابراتی را در بازه فرکانس‌های UHF و VHF محدود می‌کند، از نوع نویز حرارتی است که در سمت جلو گیرنده تولید می‌شود. همچنین نویز «کیهانی» (Cosmic) که توسط آنتن دریافت می‌شود این سیستم‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در فرکانس‌های باند فرکانسی SHF که بالاتر از ۱۰ گیگا هرتز هستند، شرایط اتمسفری نقش بسیار مهمی را در انتشار یک سیگنال بازی می‌کنند. در تصویر زیر، تضعیف سیگنال ناشی از بارندگی بر حسب دسیبل بر مایل برای فرکانس‌های بازه ۱۰ تا ۱۰۰ گیگا هرتز نشان داده شده است.

کانال مخابراتی آکوستیک زیرآبی

در طول چند دهه گذشته، فعالیت‌های کاوش اقیانوس به صورت روز افزون در حال افزایش است. افزایش این فعالیت‌ها نیاز به انتقال داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای زیر آب به سطح اقیانوس را به امری ضروری تبدیل کرده است. پس از انتقال داده به سطح آب، این امکان وجود دارد که داده‌ها را توسط ماهواره به مرکز جمع‌آوری داده منتقل کرد. امواج الکترومغناطیسی نمی‌توانند در زیر آب تا فواصل طولانی منتشر شوند. البته این امکان فقط برای امواج با فرکانس بسیار پایین وجود دارد. با این حال، انتقال سیگنال با چنین فرکانس پایینی به شدت پرهزینه است؛ زیرا برای این کار به ترانسمیترهای بسیار بزرگ و پرتوان نیاز است.

فیلم آموزش مدارهای مخابراتی در فرادرس

کلیک کنید

تضعیف سیگنال‌های الکترومغناطیسی در آب را می‌توان با «عمق پوستی» (Skin Depth) بیان کرد که برابر با مسافتی است که سیگنال به اندازه $$1 / e$$ تضعیف می‌شود. برای آب دریا، عمق پوستی $$\delta = 250 / \sqrt { f }$$ است. در این رابطه $$f$$ بر حسب هرتز و $$\delta$$ بر حسب متر بیان می‌شود. به عنوان مثال، در فرکانس ۱۰ کیلو هرتز عمق پوستی برابر با ۲٫۵ متر به دست می‌آید.

اما از طرف دیگر، سیگنال‌های آکوستیک در فواصل ده و حتی چند صد کیلومتر منتشر می‌شوند. یک کانال آکوستیک آب کم عمق را می‌توان به عنوان یک کانال چند مسیری توصیف کرد؛ زیرا سیگنال‌ها از سطح آب و نیز کف دریا بازتابانده می‌شوند. به دلیل حرکت امواج، مولفه‌های چند مسیری سیگنال دارای تاخیر انتشار متغیر با زمان هستند که منجر به پدیده محوشدگی می‌شود. علاوه بر این، نوع دیگری از تضعیف وجود دارد که وابسته به فرکانس است و تقریبا متناسب با مربع فرکانس سیگنال در نظر گرفته می‌شود. در تصویر زیر نمایی از مفهوم کانال مخابراتی آکوستیک زیرآبی نشان داده شده است.

نویز آکوستیک محیط اقیانوس توسط ماهی‌ها و سایر جانداران دریایی به وجود می‌آید. در نزدیکی بندرگاه‌ها انواع دیگری از نویز آکوستیک ساخته بشر نیز علاوه بر نویز محیط به وجود می‌آید. علی رغم محیط  پرتنش دریاها، می‌توان سیستم مخابرات آکوستیک زیرآبی موثر و با قابلیت اطمینان بالایی را پیاده‌سازی کرد و سیگنال‌های دیجیتال را با استفاده از آن به مسافت‌های دوردست منتقل کرد.

کانال مخابراتی ذخیره‌سازی

سیستم‌های ذخیره‌سازی و بازیابی اطلاعات به بخش بسیار مهمی از فعالیت‌های مدیریت داده روزانه ما تبدیل شده‌اند. نوارهای مغناطیسی شامل نوارهای صوتی دیجیتالی، نوارهای ویدیویی و دیسک‌های مغناطیسی برای ذخیره‌سازی حجم بزرگی از داده‌های کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین ادوات ذخیره‌سازی اطلاعات دیگر مانند دیسک‌های نوری و دیسک‌های فشرده مثال‌هایی از سیستم‌های ذخیره‌ساز داده هستند که می‌توان آن‌ها را به عنوان یک کانال مخابراتی در نظر گرفت.

فرایند ذخیره‌سازی داده روی یک نوار مغناطیسی یا دیسک نوری معادل با انتقال سیگنال از طریق تلفن یا یک کانال رادیویی است. همچنین فرایند خواندن اطلاعات و پردازش سیگنال در سیستم‌های ذخیره‌ساز برای بازیابی اطلاعات را می‌توان معادل با عمل انجام شده در یک گیرنده تلفن یا سیستم مخابرات رادیویی دانست که طی آن اطلاعات ارسال شده بازیابی می‌شوند. نویز جمع شونده که توسط ادوات الکترونیکی تولید می‌شود و نیز تداخلات «شیارهای» (Tracks) مجاور معمولا در سیگنال خوانده شده از سیستم ذخیره‌ساز حضور می‌یابند، درست همان طور که در سیستم‌های مخابرات رادیویی و تلفنی نویز در سیگنال دریافتی نویز وجود دارد.

مقدار داده‌هایی که می‌توانند در یک سیستم ذخیره‌سازی شوند، معمولا توسط عواملی مانند اندازه دیسک یا نوار و نیز تراکم (تعداد بیت‌های ذخیره شده در هر میلی متر مربع) مورد نظر محدود می‌شوند که تراکم خود به عواملی مانند هد و سیستم الکترونیکی خواندن/نوشتن بستگی دارد. امروزه به عنوان مثال، تراکم $$10 ^ 9$$ بیت بر اینچ مربع در سیستم ذخیره‌سازی دیسک مغناطیسی نیز در دسترس است. سرعتی که داده‌ها با آن روی دیسک نوشته می‌شوند و نیز سرعتی که داده‌ها با آن از دیسک خوانده می‌شوند، توسط زیرسیستم‌های مکانیکی و نیز الکتریکی موجود در سیستم ذخیره‌سازی اطلاعات محدود می‌شوند.

«کدگذاری کانال و مدولاسیون» (Channel Coding and Modulation) مولفه‌های ضروری برای یک سیستم ذخیره‌سازی نوری یا مغناطیسی دیجیتالی با طراحی مناسب است. در فرایند بازخوانی اطلاعات سیگنال دمدولاسیون می‌شود و سپس «افزونگی‌های» (Redundancy) اضافه شده توسط انکودر کانال برای تصحیح خطاهای موجود در سیگنال خوانده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی مخابرات
• آموزش مبانی سیستم های مخابراتی‎
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش مدارهای مخابراتی
• حلقه قفل فاز (PLL) چیست؟ — از صفر تا صد
• اتوماتای سلولی چیست؟ — راهنمای جامع
• مدولاسیون فاز — راهنمای جامع

^^